1 Popular Dutch Summary

In dit verslag beschrijf ik het onderzoek dat ik ter afronding van de Bachelor heb gedaan naar silicium nanokristallen. Wat is silicium en wat zijn nanokristallen, en waarom zou je dat willen weten?

Laat ik bij het laatste beginnen. Veel mensen zijn bezorgd om het milieu en het klimaat en zouden graag zien dat landen in hun eigen energiebehoefte kunnen voorzien. Fossiele brandstoffen zoals olie passen niet goed in dit beeld, maar vormen toch de hoofdbron waaruit we onze energie putten. Alternatieven zoals windmolens en zonnepanelen komen daarom steeds meer voor, maar zijn vaak nog duur of lastig toe te passen. Wetenschappers en ingenieurs zijn daarom hard aan het werk om deze alternatieven te verbeteren.

Als je het hebt over zonne-energie, heb je het over zonnepanelen. Deze zijn gemaakt van zeer dure en moeilijk te maken materialen, namelijk silicium halfgeleiders. Zand bestaat uit siliciumdioxide. Je kunt de zuurstof eruit halen en het omsmelten tot één groot kristal van puur silicium. Dunne plakken hiervan blijken goed in staat te zijn om zonlicht om te zetten in elektriciteit. Deze interactie tussen elektronen (elektriciteit) en fotonen (licht) is in silicium kristallen zo goed omdat het een halfgeleider is. Denk aan de elektronenwolk in metalen. In een halfgeleider kun je je ook vrije elektronen voorstellen, met het verschil dat die electronen pas vrij kunnen bewegen als ze geëxciteerd worden, door bijvoorbeeld fotonen van de zon. De vrije elektronen kunnen vervolgens door draden naar een apparaat of lamp gestuurd worden.

In het nieuws komt weleens ’nanotechnologie’ voorbij. ’Nano’ wijst erop dat je een object sterk verkleint, bijvoorbeeld zo’n silicium kristal. Wetenschappers hebben het idee dat je met een grote hoeveelheid van deze kleine nanokristallen ook zonnepanelen kunt maken die goedkoper en beter zijn dan de panelen gemaakt van grote silicium kristallen. Als het lukt om met silicium nanokristallen zonnepanelen te maken, dan is dat dus erg nuttig. Iedereen kan dan goedkoop aan een paneel komen en daar energie uit halen die dan niet meer uit fossiele brandstoffen hoeft te komen.

Mijn onderzoek deed ik naar zulke silicium nanokristallen. De reden dat ze beter zouden kunnen zijn dan gewone zonnepanelen, is dat het voor kan komen dat één foton twee elektronen kan exciteren. Het foton moet hiervoor relatief veel energie, oftewel een korte golflengte hebben. Met ’weinig’ zonlicht wek je ’veel’ elektriciteit op, interessant als je zonnepanelen wilt verbeteren. Bij het onderzoeken van dit verschijnsel kwam ik erachter dat er, naast de normale verschijnselen van silicium nanokristallen, duidelijk nog een extra effect is, iets anders dan de ’gewone’ vrije elektronen. Mijn vinding is dat er een lineaire afhankelijkheid is tussen de excitatie-fotonenergie en de verhouding van dit extra effect tot de normale verschijnselen, zie figuur 1.

Dit soort onderzoek draagt in zijn algemeenheid bij aan het begrip van silicium nanokristallen. Momenteel is het nog niet mogelijk een commercieel interessant zonnepaneel te maken met silicium nanokristallen. Met kennis zoals opgedaan in mijn onderzoek moet dat op termijn toch mogelijk worden.


PIC
Figure 1: De verhouding van het extra effect tot de normale verschijnselen van silicium nanokristallen als functie van de fotonenergie.